Потери в микрооптическом переключателе оптических каналов

№ 4’2009
PDF версия
Перспективы развития волоконно-оптических систем передачи инфорации (ВОСПИ) зависят от уровня разработок оптических коммутационных устройств. В работе [1] описан принцип работы микрооптических двухкоординатных акустооптических переключателей (ДАОП), использующих с целью миниатюризации в качестве коллиматорующей и фокусирующей оптической системы две стержневые градиентные линзы типа «градан», состыкованные с входным и выходными оптическими волокнами (ОВ) каналов. На рис. 1 изображена схема микрооптических двухкоординатных акустооптических переключателей.

Рис. 1. Схема ДАОП: 1, 2— соответственно ОВ
входного оптического канала и коллиматорный градан;
3— двухкоординатная акустооптическая ячейка
(ДАОЯ); 4, 5— соответственно фокусирующий градан
и ОВ выходных оптических каналов;
l— длина области акустооптического взаимодействия;
Δ — зазор между граданами и ДАОЯ

Коллиматорный 2 и фокусирующий 4 граданы расположены на одной оптической оси,
проходящей через звукопровод ДАОЯ 3.
Для засветки области акустооптического взаимодействия световым пучком под углами
Брэгга ОВ 1 стыкуется с торцом градана 2 со
сдвигом относительно его оси. ОВ 5 стыкуются с торцом градана 4 также на удалении от
оси для фокусировки дифрагированного светового пучка, излучаемого ОВ 1, на торце одного из ОВ 5, в зависимости от переключения
в тот или иной выходной оптический канал.

Одним из основных параметров ДАОП являются вносимые оптические потери. В работе [2] представлены результаты расчетов
потерь ДАОП с учетом акустического затухания и структуры светового пучка.

Однако на этот параметр существенное
влияние оказывает зазор Δ между граданом
и двухкоординатной акустооптической ячейкой (ДАОЯ), а также взаимное смещение центра светового пучка, излучаемого граданом 2,
от оси фокусирующего градана 4 и расходимость светового пучка. Учет этих факторов
позволит более точно рассчитывать оптические потери ДАОП и разрабатывать конструкцию переключателя с целью уменьшения
суммарных вносимых оптических потерь
в тракт передачи ВОСПИ. Данная статья является продолжением работы автора [2]
и уточняет вносимые оптические потери, создаваемые переключателем.

Рассмотрим распространение световых лучей, излучаемых оптическим ОВ 1, состыкованным с торцом градана 2 в точке с координатами

1 = r0×cos k;

1 = r0 sin k и лежащих
в плоскости Н, которая проходит через оптическую ось градана и наклонена к горизонтальной плоскости (ξ, z) под углом k. Численная апертура ОВ обозначается через (NA).
Найдем координаты (

1,

1) точки стыковки,
рассматривая распространение в градане трех
световых лучей, вводимых из ОВ в градан 2
под следующими к оси градана углами:
Θ0 = 0 — нулевой луч, Θ1 = arcsin [NA/n(r0)]—
первый луч и Θ2 = –Θ0 — второй луч. Показатель преломления градана в точке r0 рассчитывается по формуле:

где n0 — показатель преломления на оси градана; g — постоянная градана.

При малых углах Брэгга смещения

1 и

1
относительно оси градана также малы, поэтому для определения траектории i-го светового луча (i = 0, 1, 2) можно использовать
уравнения [1, 3] меридианальных пучков:

где ρi и Ψi — соответственно координата
и угол выхода i-го светового луча из градана
длиной z; Ω = g [1–(g×r0)2]1/2 — постоянная
распространения.

Длины 2 и 4 граданов в ДАОП выбирают-
ся [1, 3] равными четверти периода L = (π[1–
–(g r0)2]1/2)/2g. Тогда из (2) следует, что световые лучи излучаются граданом 2 под углом:

Углы в среде с показателем преломления
n1, расположенной между торцами граданов
и гранями ДАЯ, обозначим *. Величины k
и Ψ*0 определяются из условия, что выходной
световой пучок, излучаемый коллиматорным
граданом 2, распространяется под брэгговскими углами:

где λ — длина волны света в вакууме; fx и fy
частоты сигналов, возбуждающих акустические волны в звукопроводе ДАОЯ, соответственно, вдоль координат х и у ; Vx и Vy
скорость распространения соответствующих
акустических волн. Тогда углы k и Ψ*0 находятся из соотношений:

Значение r0 определяется из уравнения (3),
из которого при выполнении уравнения Снелиуса (n0 sinΨ0 = n1 sinΨ*0) получаем:

где Ψ*0 рассчитывается из (4).

Тогда координаты

1 и

1 стыковки вход-
ного оптического канала с торцом градана 2
описываются выражениями:

где n1 — показатель преломления окружающей среды.

При использовании в качестве звукопровода ДАОЯ стекла ИКС-23, когда средой с показателем преломления n1 является воздух
и f0 = fх = fy , а численные значения для

1 =

1 = a и r0 приведены в таблице.

Таблица. Характеристики ДАОП

Материал ДАОЯ λ, мкм f0, МГц а, мкм r0, мкм
ИКС-23 0,85 100 45 64
150 67 94
1,3 100 67 94
150 102 145

Длина фокусирующего градана 4 также выбирается равной L, поэтому центры ОВ выходных оптических каналов α, β, γ и σ располагаются на торце градана в плоскости (ξ, ζ),
соответственно, в точках (–

1, –

1), (–

1,

1),
(

1,

1), (

1, –

1). Тогда световой пучок, излучаемый коллиматорным граданом 2, переключается в ОВ выходных оптических каналов включением и выключением управляющих электрических сигналов, поступающих
на ДАОЯ.

Из (1) следует, что ρ1 = –ρ2, поэтому диаметр D светового пучка составляет 2ρ1. Тогда:

Угол μ* расходимости светового пучка, засвечивающего ДАОЯ, рассчитывается из соотношения Лагранжа по формуле:

где d — диаметр световой жилы ОВ.

Оптические потери W [дБ] в ДАОП рассчитываются по формуле:

где R1 — радиус светового пучка, засвечивающего фокусирующий градан 4, δS — часть
площади торца градана, засвечиваемая световым пучком, изображенным на рис. 2.
При засветке возможно несколько вариантов
взаимного смещения с центра светового пучка и оси фокусирующего градана: R1R0–ε
(рис. 2а), ε≤R1≤ε+R0 (рис. 2б), ε–R0R1≤ε
(рис. 2в) и R1R0–ε (рис. 2г), rде R0 — радиус
градана; ε — расстояние между центром градана и светового пятна.

Рис. 2. Различные варианты засвечивания части
площади торца градана световым пучком

Последний случай (рис. 2г) вызывает бесконечно большие потери, так как световое пятно
не засвечивает градан. В остальных случаях:

  • при R1R0– ε:

  • при ε≤R1≤ε+R0:

  • при ε –R0R1≤ε:

    где c = R1/R0; b = ε/R0.

Исходя из закона Снелиуса, можно показать, что в случае fх = fy = f0 и Vx = Vy = V0 величины R1 и ε определяются по формулам:

где φ*Б = arcsin(λf0/2V0n1); φБ = arcsin(λf0/2V0n2);
n2 — показатель преломления звукопровода
ДАОЯ.

Численные расчеты по формулам (6, 7) были проведены для случая, когда в качестве переключаемых каналов используются ОВ с параметрами NA = 0,18, d = 50 мкм, а также четвертьпериодные граданы: L = 7 мм, n0 = 1,628,
g = 0,2252 мм–1.

ДАОЯ изготовлена из стекла ИКС-23 или монокристалла ТеО2 (парателлурит), у которого две ортогональные акустические сдвиговые волны возбуждаются вдоль направлений [110] и [1

1-

0]. Результаты расчетов
приведены на рис. 2, 3, которые соответствуют стеклу и парателлуриту при λ = 0,85 мкм.

Рис. 3. Расчетные характеристики

Кривые 1, 2 соответствуют частотам f0 =
100 МГц и f0 = 150 МГц, а сплошные
и штриховые линии получены для l = 6 мм
и l = 10 мм.

Зазор Δ оказывает существенное влияние
на уровень вносимых оптических потерь.
Поэтому для их уменьшения и большей
компактности следует стыковать граданы
с гранями ДАОЯ. В этом случае объем ДАОП
с ДАОЯ размерами 10×10×10 мм, состыкованной с граданами длиной L = 7 мм, составит не более 2,5 мл.

Общие потери W0 ДАОП с учетом потерь
δCp (ν, χ1), вызванных акустическим затуханием ν и структурой светового пучка χ1 [2],
составит:

где W — потери, рассмотренные в данной
статье; p = α, β, γ, σ — оптические переключаемые каналы; Cp (0, 0) — потери без учета
рассмотренных в [2] и данной статье факторов.

Литература

  1. Васильев Ю. Г. Двухкоординатные акустооптические переключатели // Радиотехника. 1997.
    № 10.
  2. Васильев Ю. Г. Вносимые оптические потери
    и переходные помехи в акустооптическом переключателе каналов ВОСПИ // Компоненты и технологии. 2008. № 11.
  3. Васильев Ю. Г. Использование градиентных микролинз для соединения оптических элементов //
    Компоненты и технологии. 2007. № 10.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *